CN104735414B - 面向视频监控系统的半实物仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个面向视频监控系统的半实物仿真方法。在EMANE的无线移动网络仿真架构基础上，创建有线仿真模块；并在带有摄像头的真实设备上创建视频处理模块和视频发送模块；然后将真实的设备接入虚拟的网络，通过网桥将虚拟网络接在仿真平台所在主机的真实网卡上，并通过修改各个虚拟节点和真实节点的路由表选项，在虚拟节点和真实节点之间建立起通信路径，并采用时间驱动的仿真模式。本发明能够模拟视频监控系统中的摄像头节点和网络节点；能够实现对有线网络、无线传感网、3G/4G等多个网络组成的异构网络的仿真；平台中需要包含除虚拟节点外的大量真实节点，实现半实物仿真。

Description

面向视频监控系统的半实物仿真方法

技术领域

本发明是一种面向视频监控系统的半实物仿真方法，用来搭建视频监控系统的虚拟应用场景的仿真平台。

背景技术

近年来，全国各大中城市纷纷开展“平安城市”建设，利用通信技术和视频分析处理技术等现代化技术手段为广大市民提供一个平安和谐的城市环境。在“平安城市”中，视频监控系统是一个重要的组成部分，它为城市管理者提供第一手的现场资料，其采集和传输的视频信息将提供给城市的公安、交通、城管、市政等各个管理部门，为其提供重要的技术支撑。

视频监控系统是利用视频技术探测、监视设防区域并实时显示、记录现场图像的一套监控系统。如图1所示是视频监控系统的基本网络结构。

但是，视频监控系统本身也存在着一些安全隐患，例如，视频信息被非法访问，在这种情况下，违法分子就能非法获取视频信息，进而开展其恶意行为；视频内容被恶意篡改，给管理者以及公众提供内容被篡改的视频影像，有可能混肴是非，误导舆论，甚至给人民群众的生命财产安全带来不可挽回的损失。针对视频监控系统存在的安全隐患和安全威胁，研究者提出，要针对视频监控系统，研发相应的视频加密机制、安全认证机制以及入侵检测机制等安全机制，为视频监控系统保驾护航，为用户提供安全、可靠、可信的视频信息。

安全的视频监控系统的研发过程，需要针对大规模的视频监控系统进行各类安全攻防的测试与验证，以测试不同的安全方案的可行性和性能。但是，构建实际的试验床代价十分昂贵，在其之上进行各种试验和测试十分困难，并且在测试过程中，实验环境受周边环境影响较大，要保证相关环境的可重现，以对相关的实验结果进行对比分析，将面临人力、物力和财力等各方面的巨大挑战。为此，研究人员提出，通过建立仿真平台，在其中实现对各个设备、各种网络和各种应用的仿真模拟，从而进行相关机制的预先测试、验证和实验对比，是开展相关研究的重要途径，具有重大的研究价值和实际意义。

发明内容

基于上述需求，我们提出了一种面向视频监控系统的仿真方法，该方法搭建出的仿真平台可以用于测试不同协议、算法以及新技术的有效性和性能，从而优化视频监控系统的性能和安全性。

按照本发明提供的技术方案，所述面向视频监控系统的半实物仿真方法如下：

a、在EMANE的无线移动网络仿真架构基础上，创建有线仿真模块，其中包括两种有线仿真插件：cdNEM和switchNEM，所述cdNEM用于仿真采用CSMA/CD机制的传统有线局域网，所述switchNEM用于仿真交换式局域网；

b、创建视频处理模块，将摄像头采集的视频流编码成帧；创建视频发送模块，实现RTP/UDP和RTP/TCP的视频传输协议，从而将视频处理模块输出的视频帧封装到协议中，并发送到虚拟网络中；所述视频处理模块和视频发送模块都运行在带有摄像头的真实设备上；

c、将真实的设备接入虚拟的网络：首先，通过网桥将虚拟网络接在仿真平台所在主机的真实网卡上，并通过修改各个虚拟节点和真实节点的路由表选项，在虚拟节点和真实节点之间建立起通信路径；然后，采用了时间触发调度器来保证虚拟环境和真实环境的时间同步；采用时间驱动的仿真模式，该模式下运行的虚拟环境的时钟与真实环境时钟一致。

具体的，本发明通过改变EMANE的NEM和channel模块，创建所述有线仿真模块。

所述视频处理模块，借助OpenCV和VideoCapture库实现将摄像头采集的视频流编码成帧的功能。

本发明的优点是：

1.能够模拟视频监控系统中的摄像头节点和网络节点；

2.能够实现对有线网络、无线传感网、3G/4G等多个网络组成的异构网络的仿真；

3.平台中需要包含除虚拟节点外的大量真实节点，实现了半实物仿真。

附图说明

图1为视频监控系统的基本网络结构。

图2为EMANE仿真框架。

图3为有线仿真模块wiredNEM结构。

图4为视频监控系统仿真场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，视频监控系统的网络结构除了包含基本的有线网络外，还包含各类无线网络，包括无线传感网、3G/4G网络等，它们构成了一个城市安防领域的物联网网络系统。因此，我们所设计的仿真平台需要实现下述功能：能够模拟视频监控系统中的摄像头节点和网络节点；能够实现对有线网络、无线传感网、3G/4G等多个网络组成的异构网络的仿真；平台中需要包含除虚拟节点外的大量真实节点，实现半实物仿真。

一、仿真工具的选取。

选取EMANE作为基础，开发视频监控仿真平台。原因有以下几点：

1.EMANE是一个专用于Mobile Ad-hoc的模拟的仿真工具。此外，它的模块化的设计原理使得它具有很好的扩展性。

2.EMANE的OpenSSH的机制使得它可用来仿真具有除通信以外其他功能的传感器节点。而NS2只能用来仿真通信网络，测试网络性能，并不能传输真实的视频数据。

3.EMANE采用时间驱动模拟，使得虚拟环境与真实环境的时钟同步。而NS2采用的是离散事件模拟机制，虚拟环境维持一个独立的时钟，在于真实环境进行交互的时候需要进行时间转换，这就降低了半实体仿真的准确性。

二、视频监控的仿真平台整体架构。

视频监控系统包含两种类型的节点：一类是网络节点，另一类是传感器和用户节点。网络节点只具备通信功能，它们构成整个通信网络来传输视频帧。传感器节点具备采集、加密、编码和传输视频的功能，用户节点具备接收、解码、解密、存储或者播放视频的功能。

因此，搭建视频监控系统的仿真平台需要从以下两方面进行。

、仿真异构网络。

为了仿真异构网络，该仿真系统要具有仿真无线网络、有线网络以及移动网络的功能模块。而EMANE只具有无线移动网络的仿真模块，我们要通过添加有线网络的仿真模块来实现它对异构网络的仿真。

如图2所示，是EMANE的整体架构，即无线移动网络仿真架构。我们在此架构的基础上，通过改变NEM和channel模块，创建了有线仿真模块，如图3所示。其中包括两种有线仿真插件：cdNEM和switchNEM。前者是用于仿真采用CSMA/CD机制的传统有线局域网，后者是用于仿真交换式局域网。

、半实物仿真。

为了实现将真实的摄像头采集数据传输到虚拟网络中，我们首先创建了视频处理模块，借助OpenCV和VideoCapture库实现将摄像头采集的视频流编码成帧的功能。然后，我们创建了视频发送模块，实现了RTP/UDP和RTP/TCP的视频传输协议，从而将视频处理模块输出的视频帧封装到这些协议中，并发送到虚拟网络中。

视频处理模块和视频发送模块都运行在带有摄像头的真实设备上，因此，我们必须将真实的设备接入虚拟的网络，即实现半实物仿真。首先，我们通过网桥将虚拟网络接在仿真平台所在主机的真实网卡上，并通过修改各个虚拟节点和真实节点的路由表选项，在虚拟节点和真实节点之间建立起通信路径。然后，我们需要保证虚拟环境和真实环境的时间同步。为此，我们采用了时间触发调度器来达到这一目标。大多数的仿真工具采用事件驱动的仿真机制，在这种情况下，虚拟环境的虚拟时钟与真实时钟相互独立，要想实现时间同步必须在虚拟节点和真实节点的接口处针对每个数据包进行时间转换，这样时间转化的模块的运行时间会影响仿真的效果。因此，我们采用时间驱动的仿真模式，该模式下运行的虚拟环境的时钟与真实环境时钟一致。这样数据在虚拟和真实环境之间传输时就不需要时间转化了。我们借助time库的wait()函数实现了事件驱动到时间驱动的转化。

三、性能评估。

为了验证仿真平台在仿真物联网应用场景和性能评估这两方面的有效性，我们进行了多个实验测试视频监控系统的性能。图4显示了我们要仿真的视频监控系统的场景。整个网络包括两部分：基于802.11协议的视频传感网和带宽为100M的有线骨干网。

、传输协议的性能评估。

首先，我们分别采用RTP/TCP和RTP/UDP协议栈来传输视频，并测试视频监控系统的性能。我们从平均帧时延和丢包率两方面对视频监控系统网络性能的评估结果。在这个实验中，我们将无线视频传感网的带宽分别设为1Mbps、 2Mbps和11Mbps。从实验结果我们可以看出，随着带宽的增长，两种传输协议下的帧的传输时延和平均丢包率都在降低。此外，由于TCP实行流量控制和通塞控制的可靠传输机制，相比与RTP/UDP传输，RTP/TCP传输情况下的帧时延更大而丢包率更小。最差情况下，RTP/TCP平均帧时延也低于120ms，而RTP/UDP的丢包率大约20%，都在可容忍范围内，能保证一定的视频质量。

、视频监控系统的网络规模。

在该实验中，我们选取RTP/UDP协议栈，在54Mbps的无线传感网上传输视频。测试无线传感网中节点数量对视频监控系统性能的影响。

我们分别测试了，在每个无线局域网最多包含10、20、30个摄像头节点的情况下，视频监控系统的性能。实验的结果分别从丢包率、平均时延和时延振荡三个方面展示了网络性能。

当一个54Mbps的传感网覆盖的节点数超过30的时候，丢包率和时延振荡已经超出了用户可以容忍的范围。用户节点对视频流的实时播放也证明了这一结果。

可以看到，本发明1.具有较好的物联网仿真效果，2.能够仿真包括无线移动网络的异构网络，3.能够仿真具有视频采集、编码、传输功能的摄像头节点，4.搭建的虚拟网络能够接入真实的传感器节点，5.能够仿真较大规模的网络。

Claims (3)

1.面向视频监控系统的半实物仿真方法，其特征在于：

a、在EMANE的无线移动网络仿真架构基础上，创建有线仿真模块，其中包括两种有线仿真插件：cdNEM和switchNEM，所述cdNEM用于仿真采用CSMA/CD机制的传统有线局域网，所述switchNEM用于仿真交换式局域网；

b、创建视频处理模块，将摄像头采集的视频流编码成帧；创建视频发送模块，实现RTP/UDP和RTP/TCP的视频传输协议，从而将视频处理模块输出的视频帧封装到协议中，并发送到虚拟网络中；所述视频处理模块和视频发送模块都运行在带有摄像头的真实设备上；将真实的设备接入虚拟的网络；首先，通过网桥将虚拟网络接在仿真平台所在主机的真实网卡上，并通过修改各个虚拟节点和真实节点的路由表选项，在虚拟节点和真实节点之间建立起通信路径；然后，采用了时间触发调度器来保证虚拟环境和真实环境的时间同步；采用时间驱动的仿真模式，该模式下运行的虚拟环境的时钟与真实环境时钟一致。

2.如权利要求1所述的面向视频监控系统的半实物仿真方法，其特征在于：通过改变EMANE的NEM和channel模块，创建所述有线仿真模块。

3.如权利要求1所述的面向视频监控系统的半实物仿真方法，其特征在于：所述视频处理模块，借助OpenCV和VideoCapture库实现将摄像头采集的视频流编码成帧的功能。